EP1515375A2 - Device for generating electrical energy - Google Patents
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- EP1515375A2 EP1515375A2 EP20040021280 EP04021280A EP1515375A2 EP 1515375 A2 EP1515375 A2 EP 1515375A2 EP 20040021280 EP20040021280 EP 20040021280 EP 04021280 A EP04021280 A EP 04021280A EP 1515375 A2 EP1515375 A2 EP 1515375A2
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- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
Definitions
- the invention relates to a device for the production of electrical energy, with a Series arrangement of a plurality of thermocouples, each a first Conductor piece, a second conductor piece connected to the first conductor piece and a third conductor piece that with the second conductor piece on a the first conductor piece opposite side, wherein the conductor material of the first and third conductor pieces different from the conductor material of the second conductor pieces is, the first conductor pieces with a heat source and the third conductor pieces connected to a heat sink and in the order alternately the first and third conductor pieces of the successive thermocouples each other are facing.
- thermobattery heat converting into electrical energy thermobattery is from the DE 102 00 407 A1.
- the thermocouples of these thermobatteries are parallel connected.
- the present invention is based on the object, the performance of a to improve such thermobattery.
- the problem solving device is characterized in that that in the series arrangement facing each other conductor pieces each electrically connected to each other and the second conductor pieces alternately are formed by a p-type and an n-type semiconductor.
- thermocouples used in series can, compared to conventional batteries the type mentioned above give higher electrical voltages.
- the first and the third conductor pieces formed by foils or plates and the semiconductors each to each other opposite contact surfaces connected to the films or plates, wherein a stack arrangement of such films or plates is formed.
- the two mutually facing first and third conductor pieces can each directly through a connected to the heat source or heat sink, preferably only be formed thermally conductive plate or the films or plates are on their the semiconductor side facing away from such a heat conducting plate.
- thermocouples reduce the internal resistance of the thermobattery. Accordingly, the electric power increases.
- the heat conducting plates are one beyond the stacking arrangement protruding edge with the heat source or heat sink in contact, wherein between the stack assembly and the heat source or heat sink appropriate an electrically as well as thermally insulating layer is arranged, which is pierced by the plates or in or on which the plates end up.
- a heat-transporting medium flows to by heat convection to achieve the most effective heat transfer.
- the heat source and heat sink each have a heat supply and -absharedem Medium flowed through container, in which in one embodiment protrude the relevant heat conduction plates. Preferably flows through the Medium the container parallel to the surface of the heat conducting plates. One in the container projecting part of the heat conducting plates is electrically against the medium and the Container isolated. Alternatively, the heat conducting plates could be at their projecting End wound with heat pipes.
- thermoelectric voltages of the two add up, a n-doped or p-doped semiconductor having basic elements.
- Fig. 2 two such unit cells are connected in series, wherein the conductor piece 5 forms a connector to the second unit cell and the conductor piece 3rd on opposite sides contact surfaces to the p- and n-doped semiconductors 1 and 2 has.
- Fig. 2 corresponds to the basic structure of a in Figs. 3 to 5 shown thermal battery.
- a stack arrangement 6 formed from different plates according to FIG. 3 is arranged between thermally and electrically insulating layers 7 and 8.
- a container 9 On the side facing away from the stack assembly adjacent to the insulating layer 7 a container 9, which flows according to arrow 10 (Fig. 4) by a heat-supplying liquid whose temperature is e.g. 130 ° C is.
- the insulating layer 8 on the opposite side of the stack assembly 6 is adjacent to a container 11, the flows through a heat-dissipating liquid according to arrow 12 (FIG. 4), whose temperature is e.g. 80 ° C is.
- Part of the stack assembly 6 are alternately with the container 9 and the Container 11 connected jacketleitplatten 13 and 14, which by the relevant Insulating layer 7 and 8 pass and arranged in the more distant End insulating layer.
- the heat conducting plates 13,14 not only conduct heat to and from heat conduction, but mainly by convection of heat, within which a heat-transporting Medium flows.
- each of the Layers 17,18 has, as first and third conductor pieces, two copper foils 19 and 20, which include the semiconductors 1 and 2, as second conductor pieces, between them.
- the In the form of thin plates formed semiconductors 1 and 2 are over the surface of the respective Layers 17,18 distributed, e.g. in a square grid. Are useful the layers 17,18 prefabricated to facilitate the installation of the thermal battery.
- thermoelectric voltage During operation of the thermobattery, the containers 9 and 11 are flowed through, wherein the with the containers in thermal contact thermally conductive plates 13,14 within the Stack arrangement adopt different temperatures.
- One heat-conducting plate each 13 and a heat conducting plate 14 form with two layers 16 and a layer 17th a unit 21 with a plurality of thermocouples in parallel.
- the Stack arrangement is in turn connected a plurality of such units in series.
- the outer plates of the stack arrangement can be multiplied accordingly Tapping off thermoelectric voltage.
- FIG. 6 there is shown a heat conducting plate 13a which on a plate end projecting from a stack arrangement, not shown with a bundle of heat pipes 22 once wound.
- the tubes are parallel to a heat tank connected.
- the heat pipes 22 are around Heatpipes.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Erzeugung elektrischer Energie, mit einer Reihenanordnung aus einer Vielzahl von Thermoelementen, die jeweils ein erstes Leiterstück, ein mit dem ersten Leiterstück verbundenes zweites Leiterstück und ein drittes Leiterstück, dass mit dem zweiten Leiterstück auf einer dem ersten Leiterstück gegenüberliegenden Seite verbunden ist, aufweisen, wobei das Leitermaterial der ersten und dritten Leiterstücke unterschiedlich zum Leitermaterial der zweiten Leiterstücke ist, die ersten Leiterstücke mit einer Wärmequelle und die dritten Leiterstücke mit einer Wärmesenke verbunden und in der Reihenordnung abwechselnd die ersten und dritten Leiterstücke der aufeinanderfolgenden Thermoelemente einander zugewandt sind.The invention relates to a device for the production of electrical energy, with a Series arrangement of a plurality of thermocouples, each a first Conductor piece, a second conductor piece connected to the first conductor piece and a third conductor piece that with the second conductor piece on a the first conductor piece opposite side, wherein the conductor material of the first and third conductor pieces different from the conductor material of the second conductor pieces is, the first conductor pieces with a heat source and the third conductor pieces connected to a heat sink and in the order alternately the first and third conductor pieces of the successive thermocouples each other are facing.
Eine solche, Wärme in elektrische Energie umwandelnde Thermobatterie ist aus der DE 102 00 407 A1 bekannt. Die Thermoelemente dieser Thermobatterien sind parallel geschaltet.Such, heat converting into electrical energy thermobattery is from the DE 102 00 407 A1. The thermocouples of these thermobatteries are parallel connected.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit einer solchen Thermobatterie zu verbessern.The present invention is based on the object, the performance of a to improve such thermobattery.
Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die in der Reihenanordnung einander zugewandten Leiterstücke jeweils elektrisch miteinander verbunden und die zweiten Leiterstücke abwechselnd durch einen p-leitenden und einen n-leitenden Halbleiter gebildet sind. The problem solving device according to the invention is characterized in that that in the series arrangement facing each other conductor pieces each electrically connected to each other and the second conductor pieces alternately are formed by a p-type and an n-type semiconductor.
Diese Thermobatterie nach der Erfindung, welche Halbleiter aufweisende Thermoelemente in Reihenschaltung verwendet, kann gegenüber herkömmlichen Batterien der Eingangs erwähnten Art höhere elektrische Spannungen abgeben.This thermal battery according to the invention, which semiconducting thermocouples used in series can, compared to conventional batteries the type mentioned above give higher electrical voltages.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten und die dritten Leiterstücke durch Folien oder Platten gebildet und die Halbleiter jeweils an einander gegenüberliegenden Kontaktflächen mit den Folien bzw. Platten verbunden, wobei eine Stapelanordnung solcher Folien oder Platten gebildet ist.In an advantageous embodiment of the invention, the first and the third conductor pieces formed by foils or plates and the semiconductors each to each other opposite contact surfaces connected to the films or plates, wherein a stack arrangement of such films or plates is formed.
Die beiden einander zugewandten ersten und dritten Leiterstücke können jeweils direkt durch eine mit der Wärmequelle bzw. Wärmesenke verbundene, vorzugsweise einzige, Wärmeleitplatte gebildet sein oder die Folien bzw. Platten liegen auf ihren den Halbleitern abgewandten Seite gegen eine solche Wärmeleitplatte an.The two mutually facing first and third conductor pieces can each directly through a connected to the heat source or heat sink, preferably only be formed thermally conductive plate or the films or plates are on their the semiconductor side facing away from such a heat conducting plate.
Vorzugsweise ist zwischen den Folien oder Platten jeweils eine Vielzahl von n-leitenden bzw. p-leitenden Halbleitern angeordnet. Durch eine solche Parallelschaltung vieler Thermoelemente verringert sich der Innenwiderstand der Thermobatterie. Entsprechend erhöht sich die elektrische Leistung.Preferably, between the films or plates in each case a plurality of arranged n-type or p-type semiconductor. By such a parallel connection Many thermocouples reduce the internal resistance of the thermobattery. Accordingly, the electric power increases.
Vorzugsweise stehen die Wärmeleitplatten mit einem über die Stapelanordnung hinaus vorstehenden Rand mit der Wärmequelle bzw. Wärmesenke im Kontakt, wobei zwischen der Stapelanordnung und der Wärmequelle bzw. Wärmesenke zweckmäßig eine sowohl elektrisch als auch thermisch isolierende Schicht angeordnet ist, welche von den Platten durchstoßen wird bzw. in oder an welcher die Platten enden.Preferably, the heat conducting plates are one beyond the stacking arrangement protruding edge with the heat source or heat sink in contact, wherein between the stack assembly and the heat source or heat sink appropriate an electrically as well as thermally insulating layer is arranged, which is pierced by the plates or in or on which the plates end up.
Vorzugsweise strömt innerhalb der Platten ein wärmetransportierendes Medium, um durch Wärmekonvektion eine möglichst effektive Wärmeübertragung zu erzielen.Preferably, within the plates, a heat-transporting medium flows to by heat convection to achieve the most effective heat transfer.
Die Wärmequelle und Wärmesenke weist jeweils einen von wärmezu- bzw. -abführendem Medium durchströmten Behälter auf, in welchen in einer Ausführungsform die betreffenden Wärmeleitplatten hineinragen. Vorzugsweise durchströmt das Medium den Behälter parallel zur Oberfläche der Wärmeleitplatten. Ein in den Behälter ragender Teil der Wärmeleitplatten ist elektrisch gegen das Medium und den Behälter isoliert. Alternativ könnten die Wärmeleitplatten an ihrem vorstehenden Ende mit Wärmeleitrohren umwunden sein. The heat source and heat sink each have a heat supply and -abführendem Medium flowed through container, in which in one embodiment protrude the relevant heat conduction plates. Preferably flows through the Medium the container parallel to the surface of the heat conducting plates. One in the container projecting part of the heat conducting plates is electrically against the medium and the Container isolated. Alternatively, the heat conducting plates could be at their projecting End wound with heat pipes.
Sowohl für die Wärmeleitrohre als auch die Wärmeleitplatten kommt das Heatpipe-Prinzip in Betracht.Both for the heat pipes and the heat conducting plates comes the heat pipe principle into consideration.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Schemadarstellung eines in einer Thermobatterie nach der Erfindung verwendeten thermoelektrischen Elements mit einem p-leitenden und einem n-leitenden Halbleiter,
- Fig. 2
- eine Reihenschaltung von Elementen gemäß Fig. 1,
- Fig. 3
- eine Elemente gemäß Fig. 1 und 2 verwendende Thermobatterie nach der Erfindung,
- Fig. 4 und 5
- den Aufbau der Thermobatterie von Fig. 3 erläuternde Teildarstellungen, und
- Fig. 6
- ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Verbindung von Wärmeleitplatten mit einer Wärmeleitungsröhren aufweisenden Wärmesenke.
- Fig. 1
- 5 is a schematic representation of a thermoelectric element used in a thermal battery according to the invention with a p-type and an n-type semiconductor.
- Fig. 2
- a series connection of elements according to FIG. 1,
- Fig. 3
- a thermal battery according to the invention using elements according to FIGS. 1 and 2,
- 4 and 5
- the structure of the thermal battery of FIG. 3 explanatory partial views, and
- Fig. 6
- a further embodiment for the connection of heat conducting plates with a heat pipe having heat sink.
Gemäß Fig. 1 ist ein p-dotierter Halbleiter 1 über ein Leiterstück 3 mit einem n-dotierten
Halbleiter 2 verbunden und an den dem Leiterstück 3 abgewandten Enden der
Halbleiter ist jeweils ein Leiterstück 4 bzw. 5 angebracht. Liegt das Leiterstück 3 auf
höherer Temperatur als die Leiterstücke 4 und 5, d.h., sind durch das Leiterstück 3 zu
den Halbleitern heiße Kontakte (h) und durch die Leiterstücke 4 und 5 kalte Kontakte
(k) gebildet, so herrscht entsprechend dem Temperaturunterschied zwischen den
Leiterstücken 4 und 5 eine thermoelektrische Spannung. In einer solchen Elementarzelle
gemäß Fig. 1 addieren sich die thermoelektrischen Spannungen der beiden,
einen n-dotierten bzw. p-dotierten Halbleiter aufweisenden Grundelemente.1, a p-doped semiconductor 1 via a conductor piece 3 with an n-
Gemäß Fig. 2 sind zwei solcher Elementarzellen in Reihe geschaltet, wobei das Leiterstück
5 ein Verbindungsstück zur zweiten Elementarzelle bildet und das Leiterstück 3
auf gegenüberliegenden Seiten Kontaktflächen zu den
p- und n-dotierten Halbleitern 1 und 2 aufweist.According to Fig. 2, two such unit cells are connected in series, wherein the conductor piece
5 forms a connector to the second unit cell and the conductor piece 3rd
on opposite sides contact surfaces to the
p- and n-doped
Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung entspricht dem Grundaufbau einer in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Thermobatterie. The arrangement shown in Fig. 2 corresponds to the basic structure of a in Figs. 3 to 5 shown thermal battery.
Eine gemäß Fig. 3 aus verschiedenen Platten gebildete Stapelanordnung 6 ist
zwischen thermisch und elektrisch isolierenden Schichten 7 und 8 angeordnet. Auf
der der Stapelanordnung abgewandten Seite grenzt an die Isolierschicht 7 ein Behälter
9, der gemäß Pfeil 10 (Fig. 4) von einer wärmezuführenden Flüssigkeit durchströmt
wird, deren Temperatur z.B. 130°C beträgt. Die Isolierschicht 8 auf der
gegenüberliegenden Seite der Stapelanordnung 6 grenzt an einen Behälter 11, der
gemäß Pfeil 12 (Fig. 4) von einer wärmeabführenden Flüssigkeit durchströmt wird,
deren Temperatur z.B. 80°C beträgt.A
Bestandteil der Stapelanordnung 6 sind abwechselnd mit dem Behälter 9 und dem
Behälter 11 verbundene Wärmeleitplatten 13 und 14, welche durch die betreffende
Isolierschicht 7 bzw. 8 hindurchtreten und in der jeweils entfernter angeordneten
Isolierschicht enden.Part of the
Die Wärmeleitplatten 13,14 führen Wärme nicht nur durch Wärmeleitung zu bzw. ab,
sondern vor allem durch Wärmekonvektion, indem innerhalb der Platten ein wärmetransportierendes
Medium strömt.The heat conducting
Ein jeweils in den Behälter 9,11 hineinragender Teil 15 der Wärmeleitplatten 13,14 ist
elektrisch gegen das in den Behältern 9,11 parallel zu den Wärmeleitplatten
strömende Medium isoliert und weist Rippen 16 zur Verbesserung des Wärmeübergangs
zwischen den Platten und dem Medium auf.A respectively projecting into the
Zwischen den Wärmeleitplatten 13,14 sind abwechselnd Lagen 17 mit p-leitenden
Halbleitern 1 und Lagen 18 mit n-leitenden Halbleitern 2 angeordnet. Jede der
Lagen 17,18 weist, als erste und dritte Leiterstücke, zwei Kupferfolien 19 und 20 auf,
welche die Halbleiter 1 bzw. 2, als zweite Leiterstücke, zwischen sich einschließen. Die
in Form dünner Platten ausgebildeten Halbleiter 1 und 2 sind über die Fläche der jeweiligen
Lagen 17,18 verteilt, z.B. in einem quadratischen Raster. Zweckmäßig sind
die Lagen 17,18 vorgefertigt, um die Montage der Thermobatterie zu vereinfachen.Between the
In dem betreffenden Ausführungsbeispiel beträgt die jeweilige Dicke der Isolierschichten
10 cm, der Wärmeleitplatten 8 mm, der Halbleiter 1,2 1 mm und die
Dicke der Kupferfolien 19,20 0,3 mm.In the relevant embodiment, the respective thickness of the
Im Betrieb der Thermobatterie werden die Behälter 9 und 11 durchströmt, wobei die
mit den Behältern im Wärmekontakt stehenden Wärmeleitplatten 13,14 innerhalb der
Stapelanordnung unterschiedliche Temperaturen annehmen. Jeweils eine Wärmeleitplatte
13 und eine Wärmeleitplatte 14 bilden mit zwei Lagen 16 und einer Lage 17
eine Einheit 21 mit einer Vielzahl von Thermoelementen in Parallelschaltung. In der
Stapelanordnung ist wiederum eine Vielzahl solcher Einheiten in Reihe geschaltet. An
den äußeren Platten der Stapelanordnung lässt sich eine entsprechend vervielfachte
Thermospannung abgreifen.During operation of the thermobattery, the
Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen, wo eine Wärmeleitplatte 13a gezeigt ist, die
an einem aus einer nicht gezeigten Stapelanordnung hervorstehenden Plattenende
mit einem Bündel von Wärmeleitröhren 22 einmal umwunden ist. Von 25 Röhren sind
der Einfachheit halber nur zwei gezeigt. Die Röhren sind parallel an einem Wärmebehälter
angeschlossen. Insbesondere handelt es sich bei den Wärmeröhren 22 um
Heatpipes.Referring now to Fig. 6, there is shown a
Claims (11)
dadurch gekennzeichnet, dass die in der Reihenanordnung einander zugewandten Leiterstücke jeweils elektrisch mit einander verbunden und die zweiten Leiterstücke (1;2) abwechselnd durch einen p-leitenden (1) und einen n-leitenden (2) Halbleiter gebildet sind.A device for generating electrical energy, comprising a series arrangement of a plurality of thermocouples, each having a first conductor piece (19), a second conductor piece (1; 2) connected to the first conductor piece, and a third conductor piece (20) that is connected to the second The conductor material of the first and third conductor pieces (19, 20) is different from the conductor material of the second conductor pieces (1, 2), the first conductor pieces (19) connected to a heat source (9) and the third conductor pieces (20) to a heat sink (11) and in the order alternately facing each other, the first and third conductor pieces (19,20) of the successive thermocouples,
characterized in that the conductor pieces facing each other in the series arrangement are each electrically connected to one another and the second conductor pieces (1; 2) are formed alternately by a p-type (1) and an n-type (2) semiconductor.
dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und dritten Leiterstücke durch Folien (19,20) oder/und Platten gebildet und die Halbleiter (1,2) jeweils an einander gegenüberliegenden Kontaktflächen mit den Folien (19,20) bzw. Platten verbunden sind und eine Stapelanordnung (6) solcher Folien (19,20) oder Platten gebildet ist.Device according to claim 1,
characterized in that the first and third conductor pieces are formed by foils (19, 20) and / or plates and the semiconductors (1, 2) are respectively connected to the foils (19, 20) or plates at opposite contact surfaces and a stacking arrangement (6) such films (19,20) or plates is formed.
dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden ersten und dritten Leiterstücke jeweils direkt durch eine, vorzugsweise einzige, mit der Wärmequelle bzw. -senke verbundene Wärmeleitplatte gebildet sind oder dass die Folien (19,20) oder Platten jeweils gegen eine solche Wärmeleitplatte (13,14) anliegen.Device according to claim 2,
characterized in that the opposing first and third conductor pieces are each formed directly by a, preferably single, heat-conducting plate connected to the heat source or sink, or in that the foils (19, 20) or plates are respectively secured against such a heat-conducting plate (13, 14) ) issue.
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Folien (19,20) oder Platten jeweils eine Vielzahl von n-leitenden bzw. p-leitenden Halbleitern (1,2) angeordnet ist. Device according to claim 3,
characterized in that between the films (19,20) or plates in each case a plurality of n-type and p-type semiconductors (1,2) is arranged.
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatten (13,14) an einem aus der Stapelanordnung (6) vorstehenden Rand mit der Wärmequelle (9) bzw. Wärmesenke (11) im Wärmekontakt stehen.Apparatus according to claim 3 or,
characterized in that the heat conducting plates (13, 14) are in thermal contact with the heat source (9) or heat sink (11) at an edge protruding from the stack arrangement (6).
dadurch gekennzeichnet, dass das Medium parallel zur Oberfläche der Wärmeleitplatten (13,14) strömt.Device according to claim 5,
characterized in that the medium flows parallel to the surface of the heat conducting plates (13,14).
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatten (13,14), ggf. in der Art von Heatpipes, von einem wärmetransportierenden Medium durchflossen sind.Device according to one of claims 3 to 6,
characterized in that the heat-conducting plates (13, 14), if appropriate in the manner of heat pipes, are flowed through by a heat-transporting medium.
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (9) und Wärmesenke jeweils einen von einem wärmezu- bzw. -abführendem Medium durchströmten Behälter (9,11) umfasst, in welchen die betreffenden Wärmeleitplatten (13,14) hineinragen.Device according to one of claims 3 to 7,
characterized in that the heat source (9) and heat sink each comprise a container (9,11) through which a heat-carrying or -abführendem medium in which the respective heat-conducting plates (13,14) protrude.
dadurch gekennzeichnet, dass der in den Behälter (9,11) ragende Teil (15) der Wärmeleitplatte (13,14) elektrisch gegen das Medium isoliert ist.Device according to claim 7 or 8,
characterized in that in the container (9,11) projecting part (15) of the heat conducting plate (13,14) is electrically isolated from the medium.
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stapelanordnung (6) und den Behältern (9,11) eine thermisch und elektrisch isolierende Schicht (7,8) angeordnet ist.Device according to one of claims 6 to 9,
characterized in that a thermally and electrically insulating layer (7, 8) is arranged between the stack arrangement (6) and the containers (9, 11).
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle oder Wärmesenke die Wärmeleitplatten (13a) umwindende Röhren (22) umfasst.Device according to one of claims 1 to 10,
characterized in that the heat source or heat sink comprises the heat conducting plates (13a) enclosing tubes (22).
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